基于阻抗控制的多足步行機器人腿部柔順控制研究.pdf

1、近年來，多足步行機器人因其具有良好越障和避障的能力，以及在復(fù)雜地表上行走的較強的適應(yīng)性，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點。理論上良好的環(huán)境適應(yīng)性和運動靈活性使得多足步行機器人在未來必然有著廣闊的應(yīng)用前景。多足步行機器人靈活的運動能力來源于腿部大量的自由度，所以腿部柔順控制是多足步行機器人能否順利行走和執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵，同時也是步行機器人能否快速行走、小跑甚至奔跑的前提。但是，當(dāng)前多足步行機器人只具有較差的腳力跟蹤能力和腿部柔順控制能力，很難實現(xiàn)在

2、未知環(huán)境中的復(fù)雜任務(wù)，因而大大影響了其推廣和實用化進程。針對這一問題，本文以多足步行機器人滿足靈活運動和降低能耗為目標，提出了基于能耗和目標工作空間腿部優(yōu)化設(shè)計方法。并以此為基礎(chǔ)，提出了基于自適應(yīng)-模糊控制的柔順控制策略，在多足步行機器人腿部柔順控制平臺上進行了相關(guān)實驗及分析。
　　第1章介紹了多足步行機器人主要應(yīng)用場合和應(yīng)用前景，提出了本課題的研究意義。在此基礎(chǔ)上，詳細描述了國內(nèi)外多足步行機器人發(fā)展歷程和進展。并且對當(dāng)前國內(nèi)外機

3、器人柔順控制技術(shù)研究現(xiàn)狀進行了詳細的描述。此外，還重點介紹了國內(nèi)外多足步行機器人領(lǐng)域中柔順控制的研究現(xiàn)狀，分析了這一領(lǐng)域目前主要的研究方向和研究熱點，最后，提出了本課題的主要研究內(nèi)容。
　　第2章首先介紹了步行機器人腿部柔順控制實驗平臺，并對機器人平臺硬件配置和軟件架構(gòu)進行了詳細的描述。然后并建立了腿部模型和機器人足端與環(huán)境的等效模型，通過進行D-H建模和運動學(xué)分析，對關(guān)節(jié)空間下機器人足端正/逆運動學(xué)進行了求解。在此基礎(chǔ)上，給出了

4、半球形足端正/逆運動學(xué)分析的修正算法。針對現(xiàn)有半球形足端軌跡修正算法的缺點，提出了基于最小二乘支持向量機(LS-SVM)的半球形足端軌跡修正算法。
　　第3章根據(jù)多足機器人實際運動空間的冗余性對機器人腿部結(jié)構(gòu)造成多余尺寸和能耗的問題，提出了基于能耗和工作空間的三關(guān)節(jié)腿部結(jié)構(gòu)通用優(yōu)化設(shè)計方法。通過對多足機器人腿部系統(tǒng)能耗分析和機器人足端空間運動學(xué)分析，建立了不等式約束下的非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用增廣拉格朗日遺傳算法來尋找全局優(yōu)化解

5、。通過與優(yōu)化前的腿部結(jié)構(gòu)進行對比，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動范圍明顯減小，運動空間的冗余性得到改善。通過該方法得到的結(jié)果能滿足實際工作的要求、具有較好的可操作性，并且在滿足轉(zhuǎn)向和越障要求的前提下能夠達到減小系統(tǒng)能耗的目的。
　　第4章針對多足步行機器人腿部柔順控制的問題，提出了一種基于自適應(yīng)阻抗控制算法的腿部柔順控制策略。在建立多足機器人單腿位置控制模型和阻抗控制模型的基礎(chǔ)上，分析了阻抗控制的穩(wěn)態(tài)誤差，推導(dǎo)了間接自適應(yīng)控制算法。該

6、算法通過李雅普諾夫漸進穩(wěn)定定理實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的估計，達到對期望腳力的跟隨。通過仿真與實驗分析，該算法能夠在實際應(yīng)用中快速的估算期望腳力，實現(xiàn)已知環(huán)境中足端腳力的閉環(huán)控制，并能有效的減小足端與地面的接觸沖擊。
　　第5章針對在未知環(huán)境下進行柔順控制的問題，提出了一種基于自適應(yīng)-模糊控制算法的腿部柔順控制策略。通過對自適應(yīng)控制參數(shù)進行分析，運用模糊控制算法對其參數(shù)進行在線修正，根據(jù)輸入與輸出的差異關(guān)系實時調(diào)整參數(shù)以得到滿意的系統(tǒng)響應(yīng)。

7、本章還對阻抗控制的穩(wěn)定性和自適應(yīng)控制算法魯棒性進行了分析，并給出了保持系統(tǒng)穩(wěn)定時環(huán)境位置偏差的上下界。通過比較分析，證明了自適應(yīng)-模糊算法不僅在環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時能夠很好跟隨期望接觸力，而且在軀體高度波動的情況下依然能夠保證較小的接觸沖擊力和較高的穩(wěn)態(tài)精度。在此基礎(chǔ)上還進行了自適應(yīng)-模糊算法下的靜態(tài)、動態(tài)腳力控制實驗以及不同控制算法、不同環(huán)境下的腳力控制的比較實驗，并對存在干擾情況下的腳力控制以及腳力控制對于軀體高度和系統(tǒng)能耗的影響等一